基于超聲波傳感器的空氣測距方法

　　一些傳統的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長時間浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。利用超聲波測量距離可以解決這些問題。
　　
　　本文設計的超聲波測距儀用三種測距模式選擇跳線J1（短距、中距、可調距）。其整體方案為當按下測量鍵，探頭就發送超聲波，當超聲波遇到障礙物時將產生回波信號;系統將探頭接收到的回波信號放大送入控制器;溫度測量電路測出溫度，通過計算得到所測距離，顯示在數碼顯示器上，后4位顯示距離，前2位顯示溫度。
　　
　　1、超聲波測距儀基本原理

　　
　　利用超聲波測量距離的原理如圖1示所示，簡單描述為：定期發送的超聲波遭遇到障礙物時發生反射，反射波經由接收器接收并轉化為電信號，這樣只要測出發送和接收的時間差△t，然后按照式（1）即可求出距離：　　
　　式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度，0℃時C為331m/s，25℃時C為347m/s，其與環境溫度T（單位：℃）的關系如式（2）：　　
　　由此可見，聲速與溫度有密切關系。在應用中，如果溫度變化不大，并且無特殊精度要求，可認為聲速是基本不變的，否則，必須進行溫度補償。溫度補償方法為每次先按照式（2）計算當時聲速C，然后再按照式（1）計算距離。
　　
　　另外，從圖1還可以看出，由于超聲波利用接收反射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發射與反射之間的夾角，其大小為2a。當a很小時，可直接按式（1）進行計算得到距離;當a較大時，則必須進行距離修正，修正公式如式（3）：　　
　　2、系統硬件
　　
　　超聲波測距儀主要包括：溫度檢測電路，超聲波發射及控制電路，超聲波接收及信號處理電路，顯示電路，微處理和其輔助電路以及RS232通信接口電路，其結構框圖如圖2所示。　　
　　2.1超聲波發射及控制電路　　
　　超聲波探頭的型號選用CSB40T，利用軟件產生40kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波，如圖3所示。從圖中可看出，40kHz超聲波信號是利用555時基電路震蕩產生的。震蕩頻率計算式如下：　　
　　將R10設計為可調電阻的目的是為了調節信號頻率，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。為保證555時基具有足夠的驅動能力，宜采用+12V電源。CNT為超聲波發射控制信號，由微處理器進行控制。
　　
　　2.2超聲波接收器的設計
　　
　　超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發射探頭對應的型號，這里采用CSB40R。由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經放大電路放大。正弦波信號不能直接被微處理器接收，因此必須進行波形變化。如圖4所示，前級采用NE5532構成10000倍放大器，對接收信號進行放大;后級采用LM311比較器對接收信號進行調整，LM311的3管腳的輸入為比較電壓，可由J1跳線選擇不同的比較電壓以選擇不同的測距模式，如圖5所示。
　　
　　模組提供了測距模式選擇跳線J1，可以選擇短距測量模式、中距測量模式或距離可調模式。跳線選擇LOW時為近距測量模式，選擇HIGH時為中距測量模式;選擇SET時為距離可調模式。
　　
　　2.3溫度測量電路
　　
　　當環境溫度變化時，超聲波波速會隨之變化，所以要進行修正。因而系統中設置了一個溫度檢測電路，實時采集溫度，對波速進行修正。測溫電路使用的傳感器為DS1820，如圖6所示。具有9，10，11，12位轉換精度，未編程時默認精度為12位，測量誤差一般為0.5℃，軟件處理后可達0.1℃。
　　
　　3、系統軟件
　　
　　系統流程圖如圖7所示。　　
　　微處理器P89LPC932先把P1.6置0，啟動超聲波探頭發射超聲波，同時啟動內部定時器T0開始計時。然后檢測溫度并進行溫度補償，當超聲波信號遇到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停掃描P2.7引腳，如果P2.7接收的信號由高電平變為低電平，表明信號已經返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數據經過換算就可以得出所測距離。
　　
　　4、結語
　　
　　本系統具有三種模式跳線選擇，因此具有測量準確度較高、抗*力強、反應速度快等特點。實驗表明，本測距儀實測精度*達到1%，zui遠測距為700cm左右。